JP5171539B2 - Resonant tunnel structure - Google Patents
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Description
本発明は、共鳴トンネル構造体に関する。 The present invention relates to a resonant tunnel structure.
近年、テラヘルツ波（本明細書では３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波である。）を通信、セキュリティー、医療などの産業分野へ応用するための研究開発が活発に行われている。テラヘルツ波は、物質透過性と直進性を備え、物体からの反射信号や透過信号により、物体の内部情報を高分解能で取得することが出来る。そのため、以下に記載する様に、様々な非破壊及び非侵襲の検査技術が開発されてきている。
・Ｘ線の代用として、物体の透視イメージングを安全に行う技術
・物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態を調べる分光技術
・超伝導材料のキャリア濃度や移動度を評価する技術
・生体分子（ＤＮＡやたんぱく質）の解析技術
上記技術を実用化していく上で必要不可欠な開発要素の一つとして、テラヘルツ光源の開発が挙げられる。これまでに、フェムト秒レーザ励起光伝導素子や、非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波パラメトリック発振器といったレーザ装置を用いた発生方法が開発されてきている。また、ＢＷＯやジャイロトロンといった小型電子真空管や自由電子レーザなどの大型電子線加速器を用いた発生方法なども開発されてきている。これらの方法は、周波数可変且つ高出力であるため様々な材料の指紋スペクトル同定など特殊な用途に威力を発揮するが、大型の励起光源や真空管を必要とする為、装置の小型化や低消費電力化には限界がある。
In recent years, research and development for applying terahertz waves (in this specification, electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz to 30 THz) in industrial fields such as communication, security, and medicine have been actively conducted. The terahertz wave has material permeability and straightness, and can acquire internal information of the object with high resolution by a reflection signal or a transmission signal from the object. For this reason, various non-destructive and non-invasive inspection techniques have been developed as described below.
・ Technology for safely performing fluoroscopic imaging of objects as a substitute for X-rays ・ Spectroscopic techniques for examining molecular absorption by obtaining absorption spectra and complex permittivity inside substances ・ Evaluating carrier concentration and mobility of superconducting materials Technology / Analysis technology of biomolecules (DNA and protein) One of the development elements indispensable for putting the above technology into practical use is the development of a terahertz light source. So far, generation methods using a laser device such as a femtosecond laser-pumped photoconductive element or a terahertz wave parametric oscillator using a nonlinear optical crystal have been developed. A generation method using a large electron beam accelerator such as a small electron vacuum tube such as a BWO or a gyrotron or a free electron laser has been developed. These methods are effective for special applications such as fingerprint spectrum identification of various materials because of their variable frequency and high output, but they require a large excitation light source and vacuum tube, which reduces the size and power consumption of the device. There is a limit to power generation.
そこで、テラヘルツ波の領域で動作する電流注入型の発振素子として、量子カスケードレーザや共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ、以下ＲＴＤと記す）を用いた構造などが検討されている。これらの発振素子は、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づく電磁波発振を実現させるものである。 Thus, a structure using a quantum cascade laser or a resonant tunneling diode (RTD, hereinafter referred to as RTD) is studied as a current injection type oscillation element operating in the terahertz wave region. These oscillating elements realize electromagnetic wave oscillation based on intersubband transition of electrons in a semiconductor quantum well structure.
例えば、特許文献１に示されているようなＲＴＤ型の発振素子は、１ＴＨｚ近傍で室温動作するものとして期待されている。 For example, an RTD type oscillation element as shown in Patent Document 1 is expected to operate at room temperature near 1 THz.
特許文献１では、２重障壁型のＲＴＤを活性層とした素子を用いている。これにより、図１０に示すような電圧―電流（Ｖ−Ｉ）特性で微分負性抵抗１００１が観測される。２重障壁型のＲＴＤは、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＡｌＡｓトンネル障壁層とから構成されている。また、２重障壁型のＲＴＤを活性層として、基板表面に平面状に形成したアンテナ構造の共振器に組み込むことにより、図１０に示すような微分負性抵抗１００１の領域の近傍で、電磁波１００２を発振させることができる。 In Patent Document 1, an element using a double barrier RTD as an active layer is used. Thereby, the differential negative resistance 1001 is observed with the voltage-current (V-I) characteristic as shown in FIG. The double barrier RTD is composed of an InGaAs quantum well layer and an AlAs tunnel barrier layer epitaxially grown on an InP substrate. Further, by incorporating a double barrier RTD as an active layer into a resonator having an antenna structure formed in a planar shape on the substrate surface, an electromagnetic wave 1002 near the area of the differential negative resistance 1001 as shown in FIG. Can be oscillated.
このような２重障壁型のＲＴＤを活性層とした素子を用いた場合、微分負性抵抗による利得や、注入できる電流密度により発振周波数と発振出力が制限される。 When such an element having a double barrier RTD as an active layer is used, the oscillation frequency and the oscillation output are limited by the gain due to the differential negative resistance and the current density that can be injected.
発振出力の点からは、電圧―電流（Ｖ−Ｉ）特性における電流のピーク値と、微分負性抵抗領域における傾きとの比であるピーク対バレー比を大きくすることが望まれる。 From the viewpoint of oscillation output, it is desired to increase the peak-to-valley ratio, which is the ratio between the peak value of the current in the voltage-current (VI) characteristic and the slope in the differential negative resistance region.
特許文献２には、ＲＴＤのピーク対バレー比を大きくする構成として、ＧａＡｓ基板にエピタキシャル成長されたＩｎ０．０７Ｇａ０．９３ＡｓとＧａＡｓからなる量子井戸層と、ＡｌＡｓからなるトンネル障壁層で構成された３重障壁ＲＴＤが提案されている。２つ量子井戸層をそれぞれ異なる２つの組成を用いて構成する。このような量子井戸層を備える３重障壁ＲＴＤにすることで、電圧印加時に共鳴トンネル現象によりピーク電流が生じる構造にすることができる。これにより、ピーク対バレー比の増大を達成している。
ＲＴＤ型の発振素子の周波数としては、単一の素子で複数（例えば２周波）の周波数を有することが望まれる。しかし、特許文献１と２のいずれも、単一の周波数での発振しか実現できていない。 As the frequency of the RTD type oscillation element, it is desired that a single element has a plurality of frequencies (for example, two frequencies). However, both Patent Documents 1 and 2 can only oscillate at a single frequency.
本発明の目的は、複数の基本発振周波数を発振させるための共鳴トンネル構造体の提供である。 An object of the present invention is to provide a resonant tunnel structure for oscillating a plurality of fundamental oscillation frequencies.
本発明に係る共鳴トンネル構造体は、３つ以上のトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造層と、キャリアを有する第１及び第２の電気接点層と、を備え、且つ、前記第１の電気接点層、前記共鳴トンネル構造層、前記第２の電気接点層をこの順に含み構成される共鳴トンネル構造体であって、前記共鳴トンネル構造層は、前記キャリアに対するエネルギーがそれぞれＥ１、Ｅ２、Ｅ３である第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドを有しており、前記共鳴トンネル構造体は、前記第１及び第２の電気接点層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥｂ１、Ｅｂ２としたときに、前記共鳴トンネル構造体に対して、無電界時には、（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３を満たし、且つ、第１電界印加時には、前記エネルギーＥ ｂ１ と前記第１の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとが共鳴し、且つ、前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時には、前記エネルギーＥ ｂ２ と前記第２の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとが共鳴する構造であることを特徴とする。 A resonant tunnel structure according to the present invention includes a resonant tunnel structure layer having three or more tunnel barrier layers, and first and second electrical contact layers having carriers, and the first electrical contact A resonant tunnel structure including the layer, the resonant tunnel structure layer, and the second electrical contact layer in this order, wherein the resonant tunnel structure layer has energy for the carriers of E 1 , E 2 , E 3 having a first subband, a second subband, and a third subband, wherein the resonant tunnel structure has an energy for the carrier at the band edge in the first and second electrical contact layers as E when the b1, E b2, with respect to the resonant tunneling structure, at the time of no electric field, satisfies the (E b1, E b2) < E 1 <E 2 <E 3, and, first electric field application , It said between energy Fermi levels near the energy E b1 first electrical contact layer, and the third sub-band and the second sub-band resonates, and the first field and the polarity different during the second electric field is applied, the between the energy of the Fermi level near the energy E b2 second electrical contact layer, and the second sub-band and the first sub-band is a structure you resonances It is characterized by that.
以上説明した本発明によれば、第１電界印加時と前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時において、複数の基本発振周波数を発振させることのできる共鳴トンネル構造体を提供できる。 According to the present invention described above, it is possible to provide a resonant tunnel structure that can oscillate a plurality of fundamental oscillation frequencies when a first electric field is applied and when a second electric field having a polarity different from that of the first electric field is applied.
本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、少なくとも以下の構成からなる。
（ａ）３つ以上のトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造層
（ｂ）キャリアを有する第１及び第２の電気接点層
（ｃ）前記第１の電気接点層、前記共鳴トンネル構造層、前記第２の電気接点層をこの順に含む
（ｄ）前記共鳴トンネル構造層は、前記キャリアに対するエネルギーがそれぞれＥ１、Ｅ２、Ｅ３である第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドを有す
（ｅ）前記第１及び第２の電気接点層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥｂ１、Ｅｂ２としたときに、
前記共鳴トンネル構造体に対して、無電界時には、
（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３を満たす
（ｆ）第１電界印加時には、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる
（ｇ）前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時には、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる。
The resonant tunnel structure according to the present embodiment has at least the following configuration.
(A) a resonant tunnel structure layer having three or more tunnel barrier layers; (b) first and second electrical contact layers having carriers; (c) the first electrical contact layer; the resonant tunnel structure layer; (D) the resonant tunneling structure layer includes the first subband, the second subband, and the third subband whose energies for the carriers are E 1 , E 2 , and E 3 , respectively. (E) When the energy for the carrier at the band edge in the first and second electrical contact layers is E b1 and E b2 ,
When no electric field is applied to the resonant tunnel structure,
(E b1 , E b2 ) <E 1 <E 2 <E 3 is satisfied (f) When a first electric field is applied, a resonant tunneling phenomenon occurs between the third subband and the second subband (g) When a second electric field having a polarity different from that of one electric field is applied, a resonant tunneling phenomenon occurs between the second subband and the first subband.
（３つのトンネル障壁層、キャリアが電子）
本実施形態に係る共鳴トンネル構造体について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体の伝導帯のエネルギーバンド構造を表している。
(Three tunnel barrier layers, carriers are electrons)
The resonant tunnel structure according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows the energy band structure of the conduction band of the resonant tunnel structure according to the present embodiment.
ここで、図１の共鳴トンネル構造体は、３つのトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造層の場合を想定しているが、こうした関係の３つのサブバンドを少なくとも有していれば本発明のトンネル障壁層の数はこれに限定されるものではない。最低限必要な、３つ以上のトンネル障壁層であれば良い。 Here, it is assumed that the resonant tunnel structure of FIG. 1 is a resonant tunnel structure layer having three tunnel barrier layers. However, the tunnel of the present invention has at least three subbands having such a relationship. The number of barrier layers is not limited to this. What is necessary is just three or more tunnel barrier layers which are the minimum necessary.
例えば、隣り合う２つの量子井戸に３つのサブバンドを有し（図１（ａ）のバンド構造）、さらに第１のトンネル障壁層１０１や第３のトンネル障壁層１０３側に隣接するトンネル障壁層がある場合である。 For example, a tunnel barrier layer having three subbands in two adjacent quantum wells (band structure of FIG. 1A) and further adjacent to the first tunnel barrier layer 101 or the third tunnel barrier layer 103 side This is the case.
また、図１の共鳴トンネル構造体は、キャリアが電子である場合を想定しているが、本発明のキャリアはこれに限定されるものではなく、正孔（ホール）でも良い。なお、キャリアが正孔（ホール）の場合は、共鳴トンネル構造体の価電子帯のエネルギーバンド構造を用いることにより説明することができる。 1 assumes that the carrier is an electron, but the carrier of the present invention is not limited to this and may be a hole. In addition, when a carrier is a hole (hole), it can explain by using the energy band structure of the valence band of a resonant tunnel structure.
本実施形態に係る共鳴トンネル構造層は、第１のトンネル障壁層１０１と、第２のトンネル障壁層１０２と、第３のトンネル障壁層１０３と、を含み構成されている。また、共鳴トンネル構造層は、第１のトンネル障壁層１０１と第２のトンネル障壁層１０２との間に介在する第１の量子井戸層１０４と、第２のトンネル障壁層１０２と第３のトンネル障壁層１０３との間に介在する第２の量子井戸層１０５とを含み構成されている。 The resonant tunneling structure layer according to the present embodiment includes a first tunnel barrier layer 101, a second tunnel barrier layer 102, and a third tunnel barrier layer 103. In addition, the resonant tunnel structure layer includes a first quantum well layer 104, a second tunnel barrier layer 102, and a third tunnel interposed between the first tunnel barrier layer 101 and the second tunnel barrier layer 102. And a second quantum well layer 105 interposed between the barrier layer 103 and the barrier layer 103.
また、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、キャリアを有する第１の電気接点層１０６と第２の電気接点層１０７とを含み構成されている。また、前記共鳴トンネル構造体は、前記第１の電気接点層、前記共鳴トンネル構造層、前記第２の電気接点層をこの順に含み構成されている。 The resonant tunnel structure according to this embodiment includes a first electrical contact layer 106 and a second electrical contact layer 107 having carriers. The resonant tunnel structure includes the first electrical contact layer, the resonant tunnel structure layer, and the second electrical contact layer in this order.
さらに、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、前記キャリアに対するエネルギーがＥ１、Ｅ２、Ｅ３となる第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドからなるサブバンドを、少なくとも３つ有している。 Furthermore, the resonant tunneling structure according to this embodiment, the first sub-band energy for said carrier is E 1, E 2, E 3, the second sub-band, sub-band of the third sub-band, at least 3 Have one.
本実施形態に係る前記第１の量子井戸層１０４は、前記第２サブバンドを少なくとも有している。また、本実施形態に係る前記第２の量子井戸層１０５は、前記第１及び第３サブバンドを少なくとも有している。 The first quantum well layer 104 according to this embodiment includes at least the second subband. In addition, the second quantum well layer 105 according to the present embodiment includes at least the first and third subbands.
ここで、前記第１の電気接点層１０６及び第２の電気接点層１０７におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥｂ１、Ｅｂ２とする。 Here, the energy of the band edge in the first electrical contact layer 106 and the second electrical contact layer 107 with respect to the carrier is represented by E b1 and E b2 .
このとき、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、無電界時には、（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３を満たす。 At this time, the resonant tunnel structure according to the present embodiment satisfies (E b1 , E b2 ) <E 1 <E 2 <E 3 when there is no electric field.
また、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、第１電界Ｖａ印加時には、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる構造である。 In addition, the resonant tunneling structure according to the present embodiment is a structure in which a resonant tunneling phenomenon is generated by the third subband and the second subband when the first electric field Va is applied.
さらに、本実施形態に係る共鳴トンネル構造体は、前記第１電界と極性の異なる第２電界Ｖｂ印加時には、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じる構造である。 Furthermore, the resonant tunnel structure according to the present embodiment has a structure in which a resonant tunneling phenomenon occurs between the second subband and the first subband when a second electric field Vb having a polarity different from that of the first electric field is applied.
なお、第１及び第２の電気接点層は、第１電界印加時に第３サブバンドと第２サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じ、且つ、第２電界印加時に第２サブバンドと第１サブバンドとにより共鳴トンネル現象が生じるようにキャリアを有している。 In the first and second electrical contact layers, a resonant tunneling phenomenon occurs between the third subband and the second subband when the first electric field is applied, and the second subband and the first subband are generated when the second electric field is applied. Carriers are provided so that a resonant tunneling phenomenon occurs due to the band.
ここで、共鳴トンネル現象は、互いに異なる量子井戸層に閉じ込められたサブバンドのエネルギーがほぼ等しいとき（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）に起こり得る。とくに、キャリアを供給する層のバンド端のエネルギーとフェルミエネルギー近傍の間においてこうした現象が起こると共鳴的に大きな電流が流れるようになる。 Here, the resonant tunneling phenomenon may occur when the energy of subbands confined in different quantum well layers is substantially equal (anti-crossing). In particular, when such a phenomenon occurs between the energy at the band edge of the layer supplying the carrier and the vicinity of Fermi energy, a large current flows resonantly.
また、共鳴トンネル現象において、サブバンドのエネルギーの高い側から低い側へ電子が遷移するとき、電磁波を放出し（フォトンアシストトンネリング）、電流―電圧グラフに負性抵抗が現れる。 Also, in the resonant tunneling phenomenon, when electrons transition from the high side of the subband to the low side, electromagnetic waves are emitted (photon assisted tunneling), and negative resistance appears in the current-voltage graph.
また、第１、第２、第３サブバンドは、それぞれのエネルギーの大小関係が（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３を満たし、且つ、上記の共鳴トンネル現象が生じるように、共鳴トンネル構造体の有する量子井戸層にあれば良い。３つのトンネル障壁層を有する共鳴トンネル構造体を例にすると、第２サブバンドを第２の量子井戸層１０５が有し、且つ、第１及び第３サブバンドを第１量子井戸層１０４が有していても良い。 The first, second, and third subbands satisfy the relationship (E b1 , E b2 ) <E 1 <E 2 <E 3 , and the resonance tunnel phenomenon occurs. In addition, it may be in the quantum well layer of the resonant tunnel structure. Taking a resonant tunneling structure having three tunnel barrier layers as an example, the second quantum well layer 105 has the second subband, and the first quantum well layer 104 has the first and third subbands. You may do it.
（第２の量子井戸層を中心に非対称）
本実施形態の共鳴トンネル構造体の好ましい構成として、以下の構成がある。
(Asymmetric around the second quantum well layer)
As a preferable configuration of the resonant tunnel structure of the present embodiment, there are the following configurations.
前記第１の量子井戸層の膜厚と第２の量子井戸層の膜厚とが異なるように構成する。これにより、（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３の関係を容易に得ることができる。 The thickness of the first quantum well layer and the thickness of the second quantum well layer are different. Thus, it is possible to easily obtain a relationship between (E b1, E b2) < E 1 <E 2 <E 3.
ただし、本発明は前記第１の量子井戸層の膜厚と第２の量子井戸層の膜厚とが異なる構成に限定されるものではなく、（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３の関係を満たすように構成されていれば良い。 However, the present invention is not limited to the configuration in which the film thickness of the first quantum well layer and the film thickness of the second quantum well layer are different, and (E b1 , E b2 ) <E 1 <E 2 <it may be composed to satisfy a relation of E 3.
上記の構成以外にも、前記第１の量子井戸層の材料と第２の量子井戸層の材料とが異なる構成にすることが考えられる。例えば、前記第１の量子井戸層の材料におけるバンド端と第２の量子井戸層の材料におけるバンド端とをオフセットさせて、Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３の関係を得ることができる。ただし、この場合は、（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１を満たす様にオフセットを限定しないと第１サブバンドと第２サブバンドとによる共鳴トンネル効果が得られない。 In addition to the above configuration, it is conceivable that the material of the first quantum well layer and the material of the second quantum well layer are different. For example, the relationship of E 1 <E 2 <E 3 can be obtained by offsetting the band edge in the material of the first quantum well layer and the band edge in the material of the second quantum well layer. However, in this case, unless the offset is limited so as to satisfy (E b1 , E b2 ) <E 1 , the resonant tunneling effect by the first subband and the second subband cannot be obtained.
（トンネル障壁層の高さが異なる）
本実施形態の共鳴トンネル構造体の好ましい構成として、以下の構成がある。
(Tunnel barrier layer height is different)
As a preferable configuration of the resonant tunnel structure of the present embodiment, there are the following configurations.
共鳴トンネル構造体に対して無電界時に、前記第１又は前記第３のトンネル障壁層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーが、前記第２のトンネル障壁層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーよりも大きいように構成する。これにより、第２サブバンドと第３サブバンドとによる共鳴トンネル効果において、ピーク対バレー比を大きくすることができる。典型的な場合、第３サブバンドと第２サブバンドとによる共鳴トンネル効果を得るための電界強度は、第２サブバンドと第１サブバンドとによる共鳴トンネル効果を得るための電界強度よりも大きい。
ここで、本発明は上記構成に限定されるものではない。
When no electric field is applied to the resonant tunnel structure, the energy for the carrier at the band edge in the first or third tunnel barrier layer is greater than the energy for the carrier at the band edge in the second tunnel barrier layer. Configure as follows. Thereby, the peak-to-valley ratio can be increased in the resonant tunneling effect caused by the second subband and the third subband. In a typical case, the electric field strength for obtaining the resonant tunnel effect by the third subband and the second subband is larger than the electric field strength for obtaining the resonant tunnel effect by the second subband and the first subband. .
Here, the present invention is not limited to the above configuration.
（電気接点層がｎ型半導体）
本実施形態に係る共鳴トンネル構造体の好ましい構成として、以下の構成がある。
(Electric contact layer is n-type semiconductor)
Preferred configurations of the resonant tunnel structure according to the present embodiment include the following configurations.
前記第１の電気接点層と第２の電気接点層がｎ型半導体となるように構成する。これにより、キャリアに電子を選ぶことが出来る。電子は、正孔（ホール）に比べて比較的移動度が高いことで知られている。 The first electrical contact layer and the second electrical contact layer are configured to be an n-type semiconductor. Thereby, an electron can be selected as a carrier. Electrons are known to have relatively high mobility compared to holes.
ただし、本発明は上記構成に限定されるものでないことは言うまでもない。 However, it goes without saying that the present invention is not limited to the above configuration.
また、キャリアに対するエネルギーがＥ１であるサブバンドとは、エネルギー準位がＥ１と換言できる。Ｅ２とＥ３も同様である。 Further, the sub-band energy is E 1 relative to the carrier, can in other words energy level E 1 and. E 2 and E 3 in the same manner.
以下、本発明に係る実施例について説明する。 Examples according to the present invention will be described below.
（実施例１：共鳴トンネルダイオード）
実施例１について、図２から５を用いて説明する。
Example 1: Resonant tunnel diode
Example 1 will be described with reference to FIGS.
図２は、本実施例に係る３重障壁共鳴トンネル構造体を有する共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の構造を説明するための模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the structure of a resonant tunneling diode (RTD) having a triple barrier resonant tunneling structure according to the present embodiment.
図３は、本実施例に係る３重障壁共鳴トンネル構造体の伝導帯のエネルギーバンド構造を説明するための模式図である。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the energy band structure of the conduction band of the triple barrier resonant tunnel structure according to the present embodiment.
図４は、電子のサブバンドの電界依存性を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the electric field dependence of electron subbands.
図５は、実験にて得られた本発明のおける共鳴トンネルダイオードの電流―電圧特性を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the current-voltage characteristics of the resonant tunneling diode of the present invention obtained through experiments.
本実施例の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）２００について、図２（ａ）を用いて詳細に説明する。 The resonant tunnel diode (RTD) 200 of the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.
共鳴トンネル構造層２２０は、第１のトンネル障壁層２０１と、第１の量子井戸層２０４と、第２のトンネル障壁層２０２と、第２の量子井戸層２０５と、第３のトンネル障壁層２０３がこの順に積層されている。第１のトンネル障壁層２０１は、ノンドープＡｌＡｓからなる。第１の量子井戸層２０４は、ノンドープＩｎＧａＡｓからなる。第２のトンネル障壁層２０２は、ノンドープＩｎＡｌＡｓからなる。第２の量子井戸層２０５は、ノンドープＩｎＧａＡｓからなる。第３のトンネル障壁層２０３は、ノンドープＡｌＡｓからなる。 The resonant tunneling structure layer 220 includes a first tunnel barrier layer 201, a first quantum well layer 204, a second tunnel barrier layer 202, a second quantum well layer 205, and a third tunnel barrier layer 203. Are stacked in this order. The first tunnel barrier layer 201 is made of non-doped AlAs. The first quantum well layer 204 is made of non-doped InGaAs. The second tunnel barrier layer 202 is made of non-doped InAlAs. The second quantum well layer 205 is made of non-doped InGaAs. The third tunnel barrier layer 203 is made of non-doped AlAs.
また、ＲＴＤ２００は、ｎ＋＋ＩｎＧａＡｓからなる第１コンタクト層２１０及び第２コンタクト層２１１を有する。また、ＲＴＤ２００は、ｎ＋ＩｎＧａＡｓからなる第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９を有する。さらに、ノンドープＩｎＧａＡｓからなる第１スペーサ層２０６及び第２スペーサ層２０７を有する。これらを、第１電界と第１電界とは極性の異なる第２電界とを印加するための電極対として用いる。これにより、共鳴トンネル構造層２２０に電界を印加することができる。ここで、例えば、第１電界は正バイアス電圧によって印加され、第２電界は負バイアス電圧によって印加される。 The RTD 200 includes a first contact layer 210 and a second contact layer 211 made of n ++ InGaAs. The RTD 200 includes a first electrical contact layer 208 and a second electrical contact layer 209 made of n + InGaAs. Further, the first spacer layer 206 and the second spacer layer 207 made of non-doped InGaAs are provided. These are used as an electrode pair for applying a first electric field and a second electric field having a different polarity from the first electric field. Thereby, an electric field can be applied to the resonant tunneling structure layer 220. Here, for example, the first electric field is applied by a positive bias voltage, and the second electric field is applied by a negative bias voltage.
コンタクト層２１０と２１１は、高濃度にドーピングされた半導体層である。コンタクト層２１０と２１１は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕからなるオーミック電極２１２と２１３を介して電圧源２１４に接続されることで、ＲＴＤ１００にバイアス電圧が供給される。 The contact layers 210 and 211 are highly doped semiconductor layers. The contact layers 210 and 211 are connected to a voltage source 214 via ohmic electrodes 212 and 213 made of Ti / Pd / Au, so that a bias voltage is supplied to the RTD 100.
第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９は、ドーピングされた半導体層であり、共鳴トンネル構造層２２０に電子を供給又は受容する層である。第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９は、バイアス電圧の印加方向に応じてエミッタ又はコレクタの役割を果たす。 The first electrical contact layer 208 and the second electrical contact layer 209 are doped semiconductor layers, and are layers that supply or receive electrons to the resonant tunneling structure layer 220. The first electrical contact layer 208 and the second electrical contact layer 209 serve as an emitter or a collector depending on the direction in which the bias voltage is applied.
また、スペーサ層２０６及び２０７は、上記の共鳴トンネル構造層２２０をエピタキシャル成長する際に、ドーパントの拡散により第１のトンネル障壁層２０１と第３のトンネル障壁層２０３の品質が劣化することを防止するために設けられている。 Further, the spacer layers 206 and 207 prevent the quality of the first tunnel barrier layer 201 and the third tunnel barrier layer 203 from being deteriorated due to the diffusion of the dopant when the resonant tunnel structure layer 220 is epitaxially grown. It is provided for.
ここで、共鳴トンネル構造層２２０は、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長された半導体結晶である。第１の量子井戸層２０４、第２の量子井戸層２０５と第２のトンネル障壁層２０２は、ＩｎＰ基板に格子整合しているＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓである。また、第１のトンネル障壁層２０１と第３のトンネル障壁層２０３は、ＩｎＰ基板に格子整合していないＡｌＡｓで、臨界薄膜よりは薄く、よりエネルギーの高い障壁となっている。 Here, the resonant tunneling structure layer 220 is a semiconductor crystal epitaxially grown on the InP substrate. The first quantum well layer 204, the second quantum well layer 205, and the second tunnel barrier layer 202 are InGaAs / InAlAs lattice-matched to the InP substrate. The first tunnel barrier layer 201 and the third tunnel barrier layer 203 are AlAs that is not lattice-matched to the InP substrate, and are thinner than the critical thin film and are higher energy barriers.
本実施例のＲＴＤ２００に使用されている材料、膜厚、ドープ濃度を、図２（ｂ）に示した。 The material, film thickness, and dope concentration used in the RTD 200 of this example are shown in FIG.
共鳴トンネル構造層２２０の第１の量子井戸層２０４の膜厚と、第２の量子井戸層２０５の膜厚とが異なるように積層している。 The first quantum well layer 204 and the second quantum well layer 205 of the resonant tunnel structure layer 220 are stacked so that the film thickness is different.
これにより、図３（ａ）のように、無電界時における第２の量子井戸層２０５に帰属するサブバンドＥ２と第１の量子井戸層２０４に帰属するサブバンドＥ１及びサブバンドＥ３のエネルギーレベルの関係がＥ１＜Ｅ２＜Ｅ３となる。 As a result, as shown in FIG. 3A, the subband E 2 belonging to the second quantum well layer 205 and the subband E 1 and subband E 3 belonging to the first quantum well layer 204 when there is no electric field. The energy level relationship is E 1 <E 2 <E 3 .
また、第１のトンネル障壁層２０１と第２のトンネル障壁層２０２、或いは第２のトンネル障壁層２０２と第３のトンネル障壁層２０３の組成や膜厚をそれぞれ異なるように構成している。 Further, the first tunnel barrier layer 201 and the second tunnel barrier layer 202, or the second tunnel barrier layer 202 and the third tunnel barrier layer 203 are configured to have different compositions and film thicknesses.
また、第１の電気接点層２０８及び第２の電気接点層２０９は、高濃度にドーピングされている。これは、正負の各バイアス印加時に、エミッタ側となる電気接点層から電子を共鳴トンネル構造層２２０に注入できるようにするためである。これにより、正負の各バイアス印加時に、共鳴トンネル構造層２２０のサブバンドＥ１とサブバンドＥ２、サブバンドＥ２とサブバンドＥ３間で、共鳴トンネル現象を生じさせることができる。 In addition, the first electrical contact layer 208 and the second electrical contact layer 209 are highly doped. This is because electrons can be injected into the resonant tunneling structure layer 220 from the electrical contact layer on the emitter side when positive and negative biases are applied. Thus, when positive and negative biases are applied, a resonant tunneling phenomenon can occur between the subband E 1 and the subband E 2 and the subband E 2 and the subband E 3 of the resonant tunnel structure layer 220.
ここで、第１の量子井戸層２０４の膜厚と、第２の量子井戸層２０５の膜厚とを、上記共鳴トンネル現象が起こるように調整している。 Here, the thickness of the first quantum well layer 204 and the thickness of the second quantum well layer 205 are adjusted so that the resonant tunneling phenomenon occurs.
次に、図３（ｂ）について説明する。これは、共鳴トンネル構造層２２０に正バイアス電圧Ｖａが印加される場合である。第２の電気接点層２０９はエミッタの役割を果たし、第２の量子井戸層２０５のサブバンドＥ２と第１の量子井戸層２０４のサブバンドＥ３とが共鳴する。ここでＥＦ１は第２の電気接点層２０９のフェルミレベルであり、ＥＣ１は第２の電気接点層２０９の伝導帯底のエネルギーである。 Next, FIG. 3B will be described. This is the case when the positive bias voltage V a is applied to the resonant tunneling structure layer 220. Second electrical contact layer 209 serves as a emitter, a subband E 2 of the second quantum well layer 205 and the sub-band E 3 of the first quantum well layer 204 resonate. Here, E F1 is the Fermi level of the second electrical contact layer 209, and E C1 is the energy at the bottom of the conduction band of the second electrical contact layer 209.
このとき、サブバンドＥ２及びサブバンドＥ３のエネルギーレベルが、伝導帯底のエネルギーＥＣ１と比較して大きく、エミッタ内の熱分散を含めた電子のエネルギーＥＦ１±ＫＢＴと比較して小さいとき、共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。 At this time, the energy levels of the subband E 2 and the subband E 3 are larger than the energy E C1 at the bottom of the conduction band, and compared with the electron energy E F1 ± K B T including the heat dispersion in the emitter. Are small, electrons are injected into the resonant tunneling structure layer 220.
正バイアス電圧Ｖａ印加時に、ＥＣ１＜Ｅ２及びＥ３＜ＥＦ１±ＫＢＴを満たすように、第２の電気接点層２０９は十分な濃度でドーピングされている。また、上記関係式を満たすように、第１の量子井戸層２０４、第２の量子井戸層２０５、第１のトンネル障壁層２０１、第２のトンネル障壁層２０２、第３のトンネル障壁層２０３の膜厚と組成を構成する。 When a positive bias voltage V a is applied, E C1 <E 2 and E 3 <so as to satisfy E F1 ± K B T, the second electrical contact layer 209 is doped with a sufficient concentration. Further, the first quantum well layer 204, the second quantum well layer 205, the first tunnel barrier layer 201, the second tunnel barrier layer 202, and the third tunnel barrier layer 203 are formed so as to satisfy the above relational expression. Configure film thickness and composition.
なお、このエミッタ内の伝導帯底のエネルギーＥＣ１から熱分散を含めた電子のエネルギーＥＦ１±ＫＢＴをフェルミレベル近傍と表現している。ここで、ＫＢはボルツマン定数（Ｊ／Ｋ）であり、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。 Note that the energy E F1 ± K B T of electrons including heat dispersion from the energy E C1 at the bottom of the conduction band in the emitter is expressed as the Fermi level vicinity. Here, K B is the Boltzmann constant (J / K), T is an absolute temperature (K).
本実施例においては、第２の電気接点層２０９にＳｉが２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたｎ＋ＩｎＧａＡｓ層を用いることで、伝導帯底のエネルギーＥＣ１を基準としたフェルミレベルＥＦ１のエネルギーは約１４０ｍｅＶとした。室温における電子の熱分散ＫＢＴは約２７ｍｅＶであり、第２の電気接点層２０９内の電子は幅広いエネルギーに分布し、チャネルを確保している。 In this embodiment, an n + InGaAs layer doped with Si at a concentration of 2 × 10 18 cm −3 is used for the second electrical contact layer 209, so that the Fermi level E based on the energy E C1 at the bottom of the conduction band is used. The energy of F1 was about 140 meV. The electron thermal dispersion K B T at room temperature is about 27 meV, and the electrons in the second electrical contact layer 209 are distributed over a wide range of energy to secure a channel.
また、図４（ａ）に示したように、図２（ｂ）の膜厚や組成の共鳴トンネル構造層２２０において、サブバンドＥ２とサブバンドＥ３とが共鳴する（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）。ここで、正バイアス電圧Ｖａが約０．７Ｖのとき、電界強度では約２２０ｋＶ／ｃｍにおいて、サブバンドＥ２とサブバンドＥ３とが、伝導帯底のエネルギーＥＣ１から約１６ｍｅＶのエネルギーで共鳴する。 Further, as shown in FIG. 4 (a), in the resonant tunneling structure layer 220 having a thickness and composition of FIG. 2 (b), a sub-band E 2 and subband E 3 resonates (anti-crossing). Here, when a positive bias voltage V a is about 0.7 V, at about 220kV / cm in field strength, and the sub-band E 2 and subband E 3 is an energy of about 16meV from the energy E C1 of the conduction band minimum Resonate.
このとき、上述のＥＣ１＜Ｅ２及びＥ３＜ＥＦ１±ＫＢＴが十分満たされているので、第１の電気接点層２０８から共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。 At this time, since E C1 <E 2 and E 3 <E F1 ± K B T are sufficiently satisfied, electrons are injected from the first electrical contact layer 208 into the resonant tunneling structure layer 220.
さらに、図３（ｃ）について説明する。これは、共鳴トンネル構造層２２０に極性の異なる負バイアス電圧Ｖｂが印加した場合である。第１の電気接点層２０８がエミッタの役割を果たし、第２の量子井戸層２０５のサブバンドＥ２と第１の量子井戸層２０４のサブバンドＥ１とが共鳴する。 Further, FIG. 3C will be described. This is a case where a negative bias voltage Vb having a different polarity is applied to the resonant tunneling structure layer 220. First electrical contact layer 208 serves as a emitter, a subband E 2 of the second quantum well layer 205 and the sub-band E 1 of the first quantum well layer 204 resonate.
このとき、サブバンドＥ２及びサブバンドＥ１のエネルギーレベルが、伝導帯底のエネルギーＥＣ２と比較して大きく、エミッタ内の電子のエネルギーＥＦ２±ＫＢＴと比較して小さいとき、共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。 At this time, when the energy levels of the subband E 2 and the subband E 1 are large compared to the energy E C2 at the bottom of the conduction band and small compared to the energy E F2 ± K B T of the electrons in the emitter, resonance occurs. Electrons are injected into the tunnel structure layer 220.
負バイアス電圧Ｖｂ印加時にＥＣ２＜Ｅ２及びＥ１＜ＥＦ２±ＫＢＴを満たすように、第１の電気接点層２０８は十分な濃度でドーピングされている。また、上記関係式を満たすように、第１の量子井戸層２０４、第２の量子井戸層２０５、第１のトンネル障壁層２０１、第２のトンネル障壁層２０２、第３のトンネル障壁層２０３の膜厚と組成は構成されている。ここで、ＥＦ２は、第１の電気接点層２０８のフェルミレベルであり、ＥＣ２は、第１の電気接点層２０８の伝導帯底のエネルギーである。本実施例においては、第１の電気接点層２０８にもＳｉが２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされたｎ＋ＩｎＧａＡｓ層を用いたので、伝導帯底のエネルギーＥＣ２を基準としたフェルミレベルＥＦ２のエネルギーは約１４０ｍｅＶである。 The first electrical contact layer 208 is doped with a sufficient concentration so that E C2 <E 2 and E 1 <E F2 ± K B T are satisfied when the negative bias voltage V b is applied. Further, the first quantum well layer 204, the second quantum well layer 205, the first tunnel barrier layer 201, the second tunnel barrier layer 202, and the third tunnel barrier layer 203 are formed so as to satisfy the above relational expression. The film thickness and composition are configured. Here, E F2 is the Fermi level of the first electrical contact layer 208, and E C2 is the energy at the bottom of the conduction band of the first electrical contact layer 208. In this embodiment, since the n + InGaAs layer doped with Si at a concentration of 2 × 10 18 cm −3 is also used for the first electrical contact layer 208, the Fermi level based on the energy E C2 at the bottom of the conduction band. The energy of E F2 is about 140 meV.
図４（ｂ）に示したように、図２（ｂ）の膜厚や組成の共鳴トンネル構造層２２０において、サブバンドＥ２とサブバンドＥ１とが共鳴する（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）。ここで、電圧Ｖｂが約−０．２Ｖ、電界強度で約４５ｋＶ／ｃｍのとき、サブバンドＥ２とサブバンドＥ１とが伝導帯底のエネルギーＥＣ２から約５０ｍｅＶのエネルギーレベルにおいて共鳴する。このとき、上述のＥＣ２＜Ｅ２及びＥ１＜ＥＦ２±ＫＢＴが十分満たされているので、第１の電気接点層２０８から共鳴トンネル構造層２２０に電子が注入される。 As shown in FIG. 4B, the subband E 2 and the subband E 1 resonate (anti-crossing) in the resonant tunneling structure layer 220 having the film thickness and composition shown in FIG. 2B. Here, when the voltage Vb is about −0.2 V and the electric field strength is about 45 kV / cm, the subband E 2 and the subband E 1 resonate at an energy level of about 50 meV from the energy E C2 of the conduction band bottom. . At this time, since E C2 <E 2 and E 1 <E F2 ± K B T are sufficiently satisfied, electrons are injected from the first electrical contact layer 208 into the resonant tunneling structure layer 220.
図５は、本実施例のＲＴＤ２００の電流―電圧特性を測定して得られたグラフであり、ＲＴＤ２００は極性の異なる２種類のバイアス電圧を印加することで、ピーク電流密度とピーク対バレー比が異なる２つの微分負性抵抗領域が観測される。 FIG. 5 is a graph obtained by measuring the current-voltage characteristics of the RTD 200 of this example. The RTD 200 applies two types of bias voltages having different polarities, so that the peak current density and the peak-to-valley ratio are Two different differential negative resistance regions are observed.
例えば、正バイアス印加時においてピーク電流密度ＪｐはＪｐ＝２８０ｋＡ／ｃｍ２、直径約２μｍΦのメサのＲＴＤであれば、微分負性抵抗（以下、ＮＤＲと記す）はＮＤＲ＝−２２Ωとなる。また、負バイアス印加時においてピーク電流密度はＪｐ＝９０ｋＡ／ｃｍ２、直径約２μｍΦのメサのＲＴＤであれば、ＮＤＲ＝−１７４Ωとなる。 For example, when a positive bias is applied, if the peak current density J p is J p = 280 kA / cm 2 and the mesa RTD has a diameter of about 2 μmΦ, the differential negative resistance (hereinafter referred to as NDR) is NDR = −22Ω. . In addition, when a negative bias is applied, the peak current density is J p = 90 kA / cm 2 , and if the RTD is a mesa having a diameter of about 2 μmΦ, NDR = −174Ω.
このように、本発明の構成の共鳴トンネルダイオードは、印加されるバイアス電圧の極性と大きさによって、１つのＲＴＤで異なる２種類以上の微分負性抵抗が得られる。 As described above, the resonant tunneling diode having the configuration of the present invention can obtain two or more different types of differential negative resistances in one RTD depending on the polarity and magnitude of the applied bias voltage.
本実施例では、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。しかし、これらの材料系に限られることなく、他の材料の組み合わせであっても本発明の共鳴トンネルダイオードを提供することができる。例えば、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ ＧａＡｓ／ＡｌＡｓであっても良い。また、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂであっても良い。さらに、ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂや、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせであっても良い。 In the present embodiment, a triple barrier resonant tunnel diode made of InGaAs / InAlAs and InGaAs / AlAs grown on an InP substrate has been described. However, the present invention is not limited to these material systems, and the resonant tunnel diode of the present invention can be provided even with a combination of other materials. For example, GaAs / AlGaAs /, GaAs / AlAs, or InGaAs / GaAs / AlAs formed on a GaAs substrate may be used. Alternatively, InGaAs / AlGaAsSb formed on an InP substrate may be used. Furthermore, a combination of InAs / AlAsSb and InAs / AlSb formed on the InAs substrate, and SiGe / SiGe formed on the Si substrate may be used.
また、これまでキャリアを電子として説明してきたが、キャリアとして正孔（ホール）を用いて価電子帯で同様の動作原理の共鳴トンネルダイオードも提供することができる。図３に示すエネルギーバンド構造は伝導帯のものでキャリアは電子であるが、エネルギーを表す縦軸を上下逆にして価電子帯のものと考えればキャリアが正孔であるエネルギーバンド構造を表すことになる。 Although the carrier has been described as an electron, a resonant tunnel diode having the same principle of operation in the valence band using holes as a carrier can be provided. The energy band structure shown in FIG. 3 is of the conduction band and the carrier is an electron, but if the vertical axis representing energy is upside down and the valence band is considered to represent the energy band structure, the carrier is a hole. become.
また、これまで３つのトンネル障壁層を有する共鳴トンネル共鳴トンネルダイオードで説明してきたが、４つ以上のトンネル障壁層を有する同様の動作原理の共鳴トンネルダイオードも提供することができる。例えば、図３において第２のトンネル障壁層を２つのトンネル障壁に分割するなどとして図４と同様の電界依存性を持つサブバンドが得られる設計を行うこともできる。 Further, although the resonant tunneling resonant tunnel diode having three tunnel barrier layers has been described so far, a resonant tunneling diode having the same operation principle having four or more tunnel barrier layers can be provided. For example, in FIG. 3, the second tunnel barrier layer may be divided into two tunnel barriers, and a design that can obtain a subband having the same electric field dependency as in FIG.
なお、特許文献２は、同一素子に逆バイアス印加する記載がない。また、特許文献２は、逆バイアス印加時にも共鳴トンネル現象が起こるような共鳴トンネル構造体の構成を積極的に開示するものではない。特許文献２の第９図に開示されている共鳴トンネル構造体は、無電界時において（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＞Ｅ１となっている。ここで、Ｅ１はキャリアに対するエネルギーである第１サブバンド、Ｅｂ１とＥｂ２は第１及び第２の電気接点層におけるバンド端のキャリアに対するエネルギーである。この共鳴トンネル構造体に対して、第１電界と第２電界を印加したとき、どちらも共鳴トンネル現象を生じる構成にはなっていない。 Note that Patent Document 2 does not describe reverse bias application to the same element. Further, Patent Document 2 does not actively disclose a configuration of a resonant tunnel structure in which a resonant tunnel phenomenon occurs even when a reverse bias is applied. In the resonant tunnel structure disclosed in FIG. 9 of Patent Document 2, (E b1 , E b2 )> E 1 when no electric field is applied. Here, E 1 is the energy for the carrier in the first subband, and E b1 and E b2 are the energy for the carrier at the band edge in the first and second electrical contact layers. When a first electric field and a second electric field are applied to the resonant tunnel structure, neither is configured to cause a resonant tunneling phenomenon.
（実施例２：電磁波発振器）
実施例２について、図６と図７を用いて説明する。
(Example 2: electromagnetic wave oscillator)
A second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
本実施例は、共鳴トンネル構造体を含み構成される活性層と、電磁波共振器とを備えている電磁波発振器である。 The present embodiment is an electromagnetic wave oscillator including an active layer including a resonant tunnel structure and an electromagnetic wave resonator.
例えば、上記実施例の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）からなる活性層を、電磁波共振器とを備えている電磁波発振器である。 For example, the electromagnetic wave oscillator includes an active layer made of the resonant tunneling diode (RTD) of the above embodiment and an electromagnetic wave resonator.
図６は、上記実施例に係るＲＴＤ２００を活性層として電磁波共振器に組み込んだ電磁波発振器の構成を説明するための模式図である。 FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a configuration of an electromagnetic wave oscillator in which the RTD 200 according to the embodiment is incorporated in an electromagnetic wave resonator as an active layer.
図７は、本実施例に係るＲＴＤの等価回路を示した図である。 FIG. 7 is a diagram showing an RTD equivalent circuit according to the present embodiment.
電磁波発振器６３０は、スロットアンテナ型の電磁波共振器構造を用いており、ＩｎＰ基板６３６上に電極とアンテナを兼ねているＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１と６３２がＳｉＯ２絶縁層６３３を介して形成されている。電極６３１には一部に電極６３１、６３１の一部を除去した窓領域６３４があり、スロットアンテナ構造の共振器が形成されており、矢印で示された窓領域の長さが発振周波数を決めるファクタとなっている。また、メサ６３５はポスト状に形成されたＲＴＤ２００である。Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１や６３２は、それぞれ図２のオーミック電極２１２と２１３に相当し、電圧源２１４に接続されている。本実施例においては、スロットアンテナの窓幅は３０μｍとし、一辺２．３μｍのメサ６３５を配置した。 The electromagnetic wave oscillator 630 uses a slot antenna type electromagnetic wave resonator structure, and Ti / Pd / Au layers 631 and 632 serving as electrodes and antennas are formed on an InP substrate 636 with an SiO 2 insulating layer 633 interposed therebetween. ing. The electrode 631 has a window region 634 in which a part of the electrodes 631 and 631 is partially removed to form a slot antenna structure resonator, and the length of the window region indicated by the arrow determines the oscillation frequency. It is a factor. The mesa 635 is an RTD 200 formed in a post shape. The Ti / Pd / Au layers 631 and 632 correspond to the ohmic electrodes 212 and 213 in FIG. 2 and are connected to the voltage source 214. In this embodiment, the slot antenna has a window width of 30 μm and a mesa 635 having a side of 2.3 μm.
一般的に、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）は、ＡＰＬ，Ｖｏｌ．５５〈１７〉，Ｐ．１７７７，１９８９などに開示されているように、図７に示した等価回路で記述される。共鳴トンネルダイオードの動作周波数の上限はＲＣＬ回路の時定数により決まる。また電磁波発振器においては、図７に示した等価回路に、共振器の構造によって決まる負荷抵抗、容量成分、インダクタンス成分を接続した共振回路のＬＣの共振周波数によって基本発振波長が決定される。 In general, resonant tunneling diodes (RTDs) are described in APL, Vol. 55 <17>, P.I. 1777, 1989, etc., and is described by the equivalent circuit shown in FIG. The upper limit of the operating frequency of the resonant tunneling diode is determined by the time constant of the RCL circuit. In the electromagnetic wave oscillator, the fundamental oscillation wavelength is determined by the resonance frequency of the LC of the resonance circuit in which the load resistance, the capacitance component, and the inductance component determined by the resonator structure are connected to the equivalent circuit shown in FIG.
ここで、図７において、Ｒｃｏｎｔ、Ｃｃｏｎｔは電極６３１とコンタクト層６１０の接触抵抗成分、接触容量成分であり、ＲｐｏｓｔはＲＴＤ２００に直列に接続されるメサ構造に起因する抵抗成分を表している。また、ＲａｃｔはＲＴＤ２００のＮＤＲ（＜０）である。また、ＣａｃｔはＲＴＤ２００の容量成分であり、ＬａｃｔはＲＴＤ２００のインダクタンス成分である。 In FIG. 7, R cont and C cont are contact resistance components and contact capacitance components of the electrode 631 and the contact layer 610, and R post represents a resistance component due to a mesa structure connected in series to the RTD 200. Yes. R act is the NDR (<0) of the RTD 200. C act is a capacitance component of the RTD 200, and L act is an inductance component of the RTD 200.
Ｌａｃｔは、ＲＴＤ１００内における電子のトンネリング時間、空乏層の走行時間を考慮したＲＴＤ１００におけるの電子の遅延時間τを遅延インダクタンスとして表したものであり、Ｌａｃｔ＝Ｒａｃｔ×τの関係が知られている。 L act represents the electron tunneling time in the RTD 100 and the electron delay time τ in the RTD 100 considering the transit time of the depletion layer as a delay inductance, and the relationship of L act = R act × τ is known. ing.
電磁波発振器６３０は、電圧源６１４から極性の異なるバイアス電圧（ＶａとＶｂ）を給電することで、図５に示した通り２種類の微分負性抵抗が得られる。したがってバイアス電圧ＶａとＶｂに対応した２種類の微分負性抵抗が得られるため、図５の等価回路の遅延インダクタンスＬａｃｔが変化する。しかも、本実施例に係るＲＴＤ２００を用いた場合、Ｌａｃｔは７９０％変化する。この結果、同じスロットアンテナ型共振器でも全体の共振回路の共振周波数が大きく変化することになり発振周波数の変化として現れる。このように、本発明の構成の共鳴トンネルダイオードを用いた電磁波発振器は、異なる２種類以上の微分負性抵抗により、印加されるバイアス電圧の極性と大きさを変化させることで２種類以上の基本発振周波数で発振させることが可能となる。本実施例では、バイアス電圧がＶａ＝０．８Ｖのときに２２０ＧＨｚ、極性を変えたＶｂ＝−０．３Ｖのときには４５５ＧＨｚの発振が可能である。 The electromagnetic wave oscillator 630 supplies two types of differential negative resistances as shown in FIG. 5 by supplying bias voltages (V a and V b ) having different polarities from the voltage source 614. Therefore, since two types of differential negative resistance corresponding to the bias voltages V a and V b are obtained, the delay inductance L act of the equivalent circuit of FIG. 5 changes. In addition, when the RTD 200 according to the present embodiment is used, L act changes by 790%. As a result, even in the same slot antenna type resonator, the resonance frequency of the entire resonance circuit greatly changes and appears as a change in oscillation frequency. As described above, the electromagnetic wave oscillator using the resonant tunnel diode having the configuration of the present invention has two or more types of basics by changing the polarity and magnitude of the applied bias voltage by two or more different types of differential negative resistances. It becomes possible to oscillate at the oscillation frequency. In this embodiment, oscillation is possible at 220 GHz when the bias voltage is V a = 0.8 V, and at 455 GHz when V b = −0.3 V with the polarity changed.
本実施例では、共振器としてスロットアンテナ構造を用いたが、アレイ化や高出力化に有利なマイクロストリップ線路やマイクロストリップアンテナ（例えば、パッチアンテナ）を組み合わせた共振器でも良い。また、Ｑ値の高い素子壁面や裏面も電極で覆った３次元構造の空洞導波管を採用しても提供することも出来る。 In this embodiment, a slot antenna structure is used as a resonator. However, a resonator combined with a microstrip line or a microstrip antenna (for example, a patch antenna) that is advantageous for arraying and high output may be used. It is also possible to provide a hollow waveguide having a three-dimensional structure in which an element wall surface and back surface having a high Q value are covered with electrodes.
また、実際に発振周波数を変化させる場合には、図６に示したように電圧源６１４にスイッチを設けることで、電圧信号（ＶａとＶｂ）が切り替える構成が考えられる。具体的には、第１基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する正バイアス電圧と、第２基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する負バイアス電圧とを切り替える。このように、本実施例に係る電磁波発振器と、電圧信号を切り替えるためのスイッチング素子とを備えた電磁波発振装置が考えられる。 When the oscillation frequency is actually changed, a configuration in which the voltage signals (V a and V b ) are switched by providing a switch in the voltage source 614 as shown in FIG. 6 can be considered. Specifically, a positive bias voltage applied to oscillate an electromagnetic wave having a first fundamental oscillation frequency and a negative bias voltage applied to oscillate an electromagnetic wave having a second fundamental oscillation frequency are switched. Thus, an electromagnetic wave oscillation device including the electromagnetic wave oscillator according to the present embodiment and the switching element for switching the voltage signal can be considered.
素子の保護のために電圧信号を徐々に０に下げてから極性を変えて徐々に電圧を上昇させるように駆動しても良い。一般的に、共鳴トンネルダイオードは高速動作が可能であるため、高速に周波数をスイッチングして切り替えることにより、サブＴＨｚ帯の通信としてＦＳＫ（周波数シフトキーイング）変調して光源として駆動しても良い。 In order to protect the element, the voltage signal may be gradually lowered to 0 and then the polarity may be changed to drive the voltage gradually. In general, a resonant tunneling diode can operate at high speed, and may be driven as a light source by performing FSK (frequency shift keying) modulation as sub-THz band communication by switching and switching frequencies at high speed.
さらに、本実施例の電磁波発振器の駆動方法は、以下のようになる。すなわち、上記実施例に係る共鳴トンネル構造層に、第１サブバンドと第２サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する第１電気信号を印加する。第１電気信号は、例えば正バイアス電圧印加を表す電気信号である。これにより、第１基本発振周波数の電磁波を発振させる。また、第２サブバンドと第３サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する前記第１電気信号と極性が異なる第２電気信号を印加する。第２電気信号は、例えば負バイアス電圧印加を表す電気信号である。これにより、第２基本発振周波数の電磁波を発振させる。 Furthermore, the driving method of the electromagnetic wave oscillator of the present embodiment is as follows. That is, a first electric signal for inducing a photon assist tunnel between the first subband and the second subband is applied to the resonant tunneling structure layer according to the embodiment. The first electric signal is an electric signal representing, for example, application of a positive bias voltage. As a result, an electromagnetic wave having the first fundamental oscillation frequency is oscillated. In addition, a second electric signal having a polarity different from that of the first electric signal for inducing a photon assist tunnel between the second subband and the third subband is applied. The second electric signal is, for example, an electric signal indicating negative bias voltage application. As a result, an electromagnetic wave having the second fundamental oscillation frequency is oscillated.
（実施例３：検査装置）
実施例３について、図８と図９を用いて説明する。
(Example 3: Inspection device)
A third embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
ここで本実施例は、例えば上記実施例の共鳴トンネルダイオードを備えた電磁波発振器を用いた、物体の検査装置である。 Here, the present embodiment is an object inspection apparatus using, for example, an electromagnetic wave oscillator including the resonant tunneling diode of the above embodiment.
図８に示すように、本実施例の検査装置は、例えば上記実施例の２周波数で発振する電磁波発振器７０ａ〜７０ｄを並べて配置し、ｆ１〜ｆ８までの複数の発振周波数の電磁波を発生させる。また、それぞれの電磁波は放物面鏡７４で平行ビームとして伝播し、検体となる対象物体７２に照射され、透過光がレンズ７３で集光され検出器７１ａ〜７１ｄで受信される。ここで、本実施例では透過配置にしているが、反射配置で検査しても良い。 As shown in FIG. 8, the inspection apparatus of the present embodiment, for example, arranges the electromagnetic wave oscillators 70a to 70d that oscillate at the two frequencies of the above embodiment, and generates electromagnetic waves having a plurality of oscillation frequencies from f1 to f8. Further, each electromagnetic wave propagates as a parallel beam by the parabolic mirror 74, is irradiated onto the target object 72 to be a specimen, and the transmitted light is collected by the lens 73 and received by the detectors 71a to 71d. Here, although the transmission arrangement is used in this embodiment, the inspection may be performed in the reflection arrangement.
例えば、記憶装置に、予め検出器で受信すべき強弱の組み合わせパターンを記憶させておく。また、検査物質がｆ１〜ｆ８までの周波数のうち、いずれか１つまたは複数の特定な吸収スペクトルを有していたとする。このとき、検査物質の吸収スペクトルと、記憶させておいたパターンと比較することにより、検査したい物質が対象物体７２中に含まれているか否かを判別することができる。 For example, a strong and weak combination pattern to be received by the detector is stored in advance in the storage device. Further, it is assumed that the test substance has any one or a plurality of specific absorption spectra among the frequencies from f1 to f8. At this time, by comparing the absorption spectrum of the test substance with the stored pattern, it is possible to determine whether or not the target object 72 contains the substance to be inspected.
図９は、検査物質の指紋スペクトルの例である。周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に吸収ピークを持つために、予め本物質の吸収パターンを記憶しておいて、ｆ１、ｆ２、ｆ３で検出器出力が弱く、その他の周波数における検出出力が大きいという情報を照合すれば、本物質が含まれると判定することができる。 FIG. 9 is an example of a fingerprint spectrum of a test substance. In order to have absorption peaks at the frequencies f1, f2, and f3, the absorption pattern of this substance is stored in advance, and information that the detector output is weak at f1, f2, and f3 and the detection output at other frequencies is large. If collated, it can be determined that the substance is contained.
本実施例の検査装置は、例えば、空港での危険物・禁止物質検査、郵便・貨物等の物流品検査、工場における工業製品の検査等に利用することができる。 The inspection apparatus of the present embodiment can be used, for example, for inspection of dangerous goods / prohibited substances at airports, inspection of physical goods such as mail / cargo, inspection of industrial products in factories, and the like.
（実施例４：ヘテロダイン検出器）
実施例４について、図１１を用いて説明する。
(Example 4: Heterodyne detector)
Example 4 will be described with reference to FIG.
本実施例は、例えば上記実施例の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を備えた電磁波発振器を局部発振器として用いたヘテロダイン検出器を提供する。 This embodiment provides a heterodyne detector using, for example, an electromagnetic wave oscillator including the resonant tunnel diode (RTD) of the above embodiment as a local oscillator.
図１１は、本実施例の検出器の模式図であり、図１１（ａ）は局部発振器としてスロットアンテナ型の電磁波発振器を用いた例であり、図１１（ｂ）は局部発振器としてマイクロストリップ型の電磁波発振器を用いた例である。 FIG. 11 is a schematic diagram of the detector of the present embodiment, FIG. 11A is an example using a slot antenna type electromagnetic wave oscillator as a local oscillator, and FIG. 11B is a microstrip type as a local oscillator. This is an example using the electromagnetic wave oscillator.
図１１に示したように、本実施例の電磁波検出器は局部発振器（ＬＯ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、ＩＦ検出部、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔ、ＩＦ−ｐｏｒｔなどから構成される。 As shown in FIG. 11, the electromagnetic wave detector of the present embodiment is composed of a local oscillator (LO), a mixer (Mixer), an IF detector, an antenna (Antenna), LO-port, RF-port, IF-port, and the like. Is done.
ここで、局部発振器（ＬＯ）はヘテロダイン検出の為の局発波発振器であり、本発明の電磁波発振器が用いられる。 Here, the local oscillator (LO) is a local oscillator for detecting heterodyne, and the electromagnetic wave oscillator of the present invention is used.
また、ミキサーはＲＦパワーを効率よくＩＦパワーに変換するデバイスであり、ショットキーダイオード、超伝導ＳＩＳミキサー、ホットエレクトロンボロメータ、ＨＢＴ／ＨＥＭＴミキサーなどが用いられる。 The mixer is a device that efficiently converts RF power into IF power, and a Schottky diode, a superconducting SIS mixer, a hot electron bolometer, an HBT / HEMT mixer, or the like is used.
また、ＩＦ検出部はミキシングで生成した中間周波数（ＩＦ）出力を検出する役割を果たし、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）は検出したい信号を受信する役割を果たす。また、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔは、それぞれ局発波、信号波のミキサー（Ｍｉｘｅｒ）への入力ポートを表しており、ＩＦ−ｐｏｒｔは中間周波数（ＩＦ）のＩＦ検出部への入力ポートを表している。ここで、特に図示はしていないが、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、局部発振器（ＬＯ１又はＬＯ２）の間にフィルターやＲＦ増幅器等を配置すればより高感度な電磁波検出器が実現される。 The IF detector serves to detect an intermediate frequency (IF) output generated by mixing, and the antenna serves to receive a signal to be detected. LO-port and RF-port represent the input ports to the mixer (mixer) of the local wave and the signal wave, respectively. IF-port represents the input port to the IF detector of the intermediate frequency (IF). Represents. Although not particularly shown here, a highly sensitive electromagnetic wave detector can be realized by arranging a filter, an RF amplifier, or the like between the antenna (Antenna), mixer (Mixer), and local oscillator (LO1 or LO2). The
図１１（ａ）を用いて本発明の検出器について詳細に説明する。検出器６４０の局部発振器（ＬＯ１）は、スロットアンテナ型共振器構造６３７を有する電磁波発振器６３０と電圧切替えスイッチが設けられた電圧源６１４とから構成される。ここで、実施例２の説明から局部発振器（ＬＯ１）は、極性の異なるバイアス電圧（ＶａとＶｂ）を給電することで２波長の基本発振周波数を持ち、本実施例においてはこの周波数が２つの局発波（ｆＬ１及びｆＬ２）となる。検出器６４０において、スロットアンテナ型共振器構造６３７は信号（ｆＳ１及びｆＳ２）受信用のアンテナとしての役割も果たしている。受信した信号波と、電磁波発振器６３０からの局発波は、ＲＦ―ｐｏｒｔ及びＬＯ―ｐｏｒｔからミキサー（Ｍｉｘｅｒ）に入力され、周波数混合により差周波成分である中間周波数（ＩＦ）が生成される。生成された中間周波数（ＩＦ）はＩＦ−ｐｏｒｔを介してＩＦ検出部にて検出される。 The detector of the present invention will be described in detail with reference to FIG. The local oscillator (LO1) of the detector 640 includes an electromagnetic wave oscillator 630 having a slot antenna type resonator structure 637 and a voltage source 614 provided with a voltage changeover switch. Here, from the description of the second embodiment, the local oscillator (LO1) has a fundamental oscillation frequency of two wavelengths by supplying bias voltages (V a and V b ) having different polarities. There are two local waves (f L 1 and f L 2). In the detector 640, the slot antenna type resonator structure 637 also serves as an antenna for receiving signals (f S 1 and f S 2). The received signal wave and the local wave from the electromagnetic wave oscillator 630 are input from the RF-port and LO-port to a mixer (Mixer), and an intermediate frequency (IF) that is a difference frequency component is generated by frequency mixing. The generated intermediate frequency (IF) is detected by the IF detection unit via the IF-port.
本発明の検出器の動作について説明する。例えば、電圧源６１４からバイアス電圧Ｖａが電磁波発振器６３０に印加された場合は、局部発振器（ＬＯ１）はから局発波１（ｆＬ１）が発振される。このとき、検出器６４０はアンテナにて周波数ｆＳ１（＝｜ｆＬ１＋ｆＩＦ｜）の信号波１を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波１が検出される。また、電圧源６１４から極性の異なるバイアス電圧Ｖｂが電磁波発振器６３０に印加された場合は、局部発振器（ＬＯ１）はから局発波２（ｆＬ１）が発振される。このとき、検出器６４０はアンテナにて周波数ｆＳ２（＝｜ｆＬ２＋ｆＩＦ｜）の信号波２を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波２が検出される。 The operation of the detector of the present invention will be described. For example, if the bias voltage V a from the voltage source 614 is applied to the electromagnetic wave oscillator 630, a local oscillator (LO1) Kara local oscillation wave 1 (f L 1) is oscillated. At this time, the detector 640 receives the signal wave 1 of the frequency f S 1 (= | f L 1 + f IF |) by the antenna, and detects the intermediate frequency f IF output from the mixer (Mixer) by the IF detection unit. Thus, the signal wave 1 is detected. When a bias voltage Vb having a different polarity is applied from the voltage source 614 to the electromagnetic wave oscillator 630, the local oscillator 2 (f L 1) is oscillated from the local oscillator (LO1). At this time, the detector 640 receives the signal wave 2 of the frequency f S 2 (= | f L 2 + f IF |) by the antenna, and detects the intermediate frequency f IF output from the mixer (Mixer) by the IF detection unit. Thus, the signal wave 2 is detected.
例えば、実施例２で説明した電磁波発振器を用いた場合は、局発波はｆＬ１＝４５５ＧＨｚ及びｆＬ２＝２２０ＧＨｚの２種類となり、中間周波数をｆＩＦ＝２ＧＨｚとすれば、ｆＳ１＝４５７ＧＨｚ及びｆＳ２＝２２２ＧＨｚの２種類の電磁波が検出される。 For example, when the electromagnetic wave oscillator described in the second embodiment is used, there are two types of local oscillation waves, f L 1 = 455 GHz and f L 2 = 220 GHz. If the intermediate frequency is f IF = 2 GHz, f S 1 = 457 GHz and f S 2 = 222 GHz are detected.
また、図１１（ｂ）のように局部発振器として本発明にかかる共鳴トンネルダイオードと、マイクロストリップ型の共振器とを備えた電磁波発振器を用いた例においても同様の検出を行なうことが可能である。ここで、検出器８０７の局部発振器ＬＯ２は、ＲＴＤ８０１、マイクロストリップライン８０２、λ／４スタブ８０３、局発波出力部８０６、基板８０５、電圧源６１４から構成され、一般的なＭＭＩＣ技術で作製される。本構成においても、バイアス電圧ＶａとＶｂに応じて局部発振器ＬＯ２から発振される２種類の局発波（ｆＬ１及びｆＬ２）により、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎｎａ）で受信した信号（ｆＳ１及びｆＳ２）をヘテロダイン検出することが可能である。 Further, similar detection can be performed in an example using an electromagnetic wave oscillator including the resonant tunnel diode according to the present invention and a microstrip resonator as a local oscillator as shown in FIG. 11B. . Here, the local oscillator LO2 of the detector 807 includes an RTD 801, a microstrip line 802, a λ / 4 stub 803, a local wave output unit 806, a substrate 805, and a voltage source 614, and is manufactured by a general MMIC technique. The Also in this configuration, the signal (f S ) received by the antenna (Antenna) by two types of local oscillation waves (f L 1 and f L 2) oscillated from the local oscillator LO2 according to the bias voltages V a and V b. It is possible to heterodyne detect 1 and f S 2).
このように、本発明の共鳴トンネルダイオードを用いた発振器をヘテロダインミキシングにおける局部発振器として用いることで、少なくとも２種類の周波数の電磁波を検出（ヘテロダイン検波）することが可能な検出器が実現される。 As described above, by using the oscillator using the resonant tunnel diode of the present invention as a local oscillator in heterodyne mixing, a detector capable of detecting electromagnetic waves of at least two types of frequencies (heterodyne detection) is realized.
また、本実施例の検出器により、１つの検出器で複数の周波数帯の電磁波を検出することが可能であるため、検出器の小型化や高密度化が容易に達成される。さらに、本実施例の検出器をアレイ状に複数配置すれば、複数の周波数の電磁波を高感度で検出可能な小型の検出器が実現される。 In addition, since the detector of this embodiment can detect electromagnetic waves in a plurality of frequency bands with a single detector, the detector can be easily reduced in size and density. Furthermore, if a plurality of detectors according to the present embodiment are arranged in an array, a small detector capable of detecting electromagnetic waves of a plurality of frequencies with high sensitivity is realized.
１０１ 第１のトンネル障壁層
１０２ 第２のトンネル障壁層
１０３ 第３のトンネル障壁層
１０４ 第１の量子井戸層
１０５ 第２の量子井戸層
１０６ 第１の電気接点層
１０７ 第２の電気接点層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 1st tunnel barrier layer 102 2nd tunnel barrier layer 103 3rd tunnel barrier layer 104 1st quantum well layer 105 2nd quantum well layer 106 1st electrical contact layer 107 2nd electrical contact layer
Claims (14)
前記共鳴トンネル構造層は、前記キャリアに対するエネルギーがそれぞれＥ１、Ｅ２、Ｅ３である第１サブバンド、第２サブバンド、第３サブバンドを有しており、
前記共鳴トンネル構造体は、
前記第１及び第２の電気接点層におけるバンド端の前記キャリアに対するエネルギーをＥｂ１、Ｅｂ２としたときに、
前記共鳴トンネル構造体に対して、
無電界時には、（Ｅｂ１、Ｅｂ２）＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３を満たし、且つ、
第１電界印加時には、前記エネルギーＥ ｂ１ と前記第１の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第３サブバンドと前記第２サブバンドとが共鳴し、且つ、
前記第１電界と極性の異なる第２電界印加時には、前記エネルギーＥ ｂ２ と前記第２の電気接点層のフェルミレベル近傍のエネルギーとの間で、前記第２サブバンドと前記第１サブバンドとが共鳴する構造であることを特徴とする共鳴トンネル構造体。 A resonant tunnel structure layer having three or more tunnel barrier layers; and first and second electrical contact layers having carriers; and the first electrical contact layer, the resonant tunnel structure layer, the first A resonant tunnel structure comprising two electrical contact layers in this order,
The resonant tunnel structure layer has a first subband, a second subband, and a third subband whose energies with respect to the carriers are E 1 , E 2 , and E 3 , respectively.
The resonant tunnel structure is
When the energy for the carrier at the band edge in the first and second electrical contact layers is E b1 and E b2 ,
For the resonant tunnel structure,
When there is no electric field, (E b1 , E b2 ) <E 1 <E 2 <E 3 is satisfied, and
During the first electric field is applied, with the energy of the Fermi level adjacent the said energy E b1 of the first electric contact layer, and the third sub-band and the second sub-band resonates, and,
Wherein at the time different from the second application of the electric field of the first field and the polarity between the energy of the Fermi level adjacent the said energy E b2 the second electrical contact layer, and the second sub-band and the first sub-band resonant tunneling structure which is a structure you resonance.
前記第１の量子井戸層は、前記第２サブバンドを少なくとも有し、且つ、
前記第２の量子井戸層は、前記第１及び第３サブバンドを少なくとも有することを特徴とする請求項１に記載の共鳴トンネル構造体。 The resonant tunnel structure layer includes a first tunnel barrier layer, a second tunnel barrier layer, a third tunnel barrier layer, and between the first tunnel barrier layer and the second tunnel barrier layer. Including an intervening first quantum well layer, and a second quantum well layer interposed between the second tunnel barrier layer and the third tunnel barrier layer,
The first quantum well layer has at least the second subband; and
The resonant tunneling structure according to claim 1, wherein the second quantum well layer includes at least the first and third subbands.
前記第１電界と前記第２電界を印加するための電極対と、を備えていることを特徴とする共鳴トンネルダイオード。 The resonant tunnel structure according to any one of claims 1 to 7 ,
A resonant tunneling diode comprising: an electrode pair for applying the first electric field and the second electric field.
第１基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する前記第１電界と、第２基本発振周波数の電磁波を発振させるために印加する前記第２電界とを切り替えるためのスイッチング素子とを備えることを特徴とする電磁波発振装置。 The electromagnetic wave oscillator according to claim 9 or 10 ,
A switching element for switching between the first electric field applied to oscillate the electromagnetic wave having the first fundamental oscillation frequency and the second electric field applied to oscillate the electromagnetic wave having the second fundamental oscillation frequency. An electromagnetic wave oscillation device characterized.
前記共鳴トンネル構造層に、第１サブバンドと第２サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する第１電気信号を印加することにより、第１基本発振周波数の電磁波を発振させ、
且つ、第２サブバンドと第３サブバンドの間のフォトンアシストトンネルを誘起する前記第１電気信号と極性が異なる第２電気信号を印加することにより、第２基本発振周波数の電磁波を発振させることを特徴とする駆動方法。 A method of driving an electromagnetic wave oscillator according to claim 9 or 10 ,
By applying a first electrical signal that induces a photon-assisted tunnel between the first subband and the second subband to the resonant tunneling structure layer, an electromagnetic wave having a first fundamental oscillation frequency is oscillated,
In addition, an electromagnetic wave having a second fundamental oscillation frequency is oscillated by applying a second electrical signal having a polarity different from that of the first electrical signal that induces a photon assist tunnel between the second subband and the third subband. A driving method characterized by the above.
少なくとも２つの波長の電磁波をヘテロダイン検波することを特徴とする電磁波検出器。 The electromagnetic wave oscillator according to claim 9 or 10 and a mixer,
An electromagnetic wave detector characterized by heterodyne detection of electromagnetic waves of at least two wavelengths.
少なくとも２つの波長の電磁波をヘテロダイン検波することを特徴とする電磁波検出器。 A local oscillator composed of the electromagnetic wave oscillation device according to claim 11 and a mixer,
An electromagnetic wave detector characterized by heterodyne detection of electromagnetic waves of at least two wavelengths.
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